惠州市三斗種礦區花崗巖礦項目水土保持方案設計

艾杏琦

（廣東海納工程管理咨詢有限公司，廣東 惠州516000）

1 引言

水土流失是一種極為嚴重的水土資源浪費現象，我國是一個水土流失較為嚴重的國家［1-2］。隨著工程建設進程的加快，對原有地形地貌的擾動，在一定程度上加大了水土流失現象［3-4］。因此，工程施工、運行期間應當注重水土保持工作。土壤侵蝕模數是影響水土流失的一個重要參數，準確獲取該值是預測水土流失量的關鍵因素。目前，較為常用的方法為工程類比法［5-6］。結合三斗種礦區工程，對花崗巖礦項目水土流失進行預測，并研究水土保持方案。

2 工程概況

三斗種礦區花崗巖礦項目屬大型礦山，礦區面積約0.502 km2，開采標高為+276.15～+30 m，礦區范圍由6個拐點圈定。礦山設計生產規模為300萬m3/a，采用露天開采，從上往下分水平臺階開采。備案的礦產資源儲量為3257.95萬m3，開采儲量為2776.21萬m3，總剝離量為1217.66萬m3（其中全～強～中風化層剝離量1053.56萬m3，全部利用加工成建筑用砂），平均剝采比為0.44 m3/m3，平均生產剝采比為0.43 m3/m3，生產期年均剝離量為129萬m3。礦山總服務年限約為11.0年，其中：基建期1.5年，生產期9.0年，閉坑治理期0.5年。

圖1 礦區航拍影像

3 水土保持方案設計

3.1 水土流失預測

3.1.1 土壤侵蝕模數

工程擾動后土壤侵蝕模數確定，采用“現場調查測量”和“參考類比工程監測值”相結合來確定，經篩選確定“惠州市光大水泥企業有限公司上窩石場工程”為類比工程?，F從降雨、土壤、植被、地形等幾個環節分析，以確定此資料的可比性。

兩項目對比情況見表1。

表1 項目地理自然特性對比表

惠州市光大水泥企業有限公司上窩石場工程于2011年7月動工，2011年12月完成基建工程，2012年1月投入生產運行，由惠州市華禹水利水電工程勘測設計有限公司對該工程建設期水土流失進行監測，取得了較為詳盡的監測數據，其土壤侵蝕強度監測成果具體見表2。

表2 類比工程工程施工期侵蝕模數監測值 單位：t/（km2·a）

2）本礦區土壤侵蝕模數確定

本方案在基于類比工程監測的土壤侵蝕模數上進行修正，其他分區的侵蝕模數直接采用類比工程各分區的監測數據。

確定本礦區在接下來的各時段的土壤侵蝕模數結果見表3。

表3 本礦區各分區土壤侵蝕模數類比結果 單位：t/（km2·a）

3.1.2 水土流失預測

根據上述預測的各單元土壤流失強度、面積和各時段預測時間，按下列公式計算土壤流失量。

式中：W土壤流失量，t；ΔW新增土壤流失量，t；Fji預測面積，km2；Mji土壤侵蝕模數，t/（km2·a）；ΔMji新增土壤侵蝕模數，t/（km2·a）；Tji預測時間，a；i預測單元，i=1、2、3、……n；j預測時段。

根據以上公式，計算本項目的水土流失量，工程建設期間可能造成的水土流失總量102661.20 t，背景水土流失量3921.83 t，新增水土流失總量為98739.38t。其中基建期可能造成的水土流失總量4730.23 t，新增水土流失總量為4439.68 t。生產運行期可能造成的水土流失總量96310.71 t，新增水土流失總量為93423.06 t。閉坑期期可能造成的水土流失總量430.47 t，新增水土流失總量為281.74 t。自然恢復期可能造成的水土流失總量1189.80 t，新增水土流失總量594.90 t。采區、排土場是本項目重點流失區域，應對該區域重點預防。生產運行期是重點水土流失時段。

3.2 水土保持總體布局

防治措施體系總體上按“分片集中治理、分單元控制”的方式進行布局。以采區、工業場地、礦區道路區、排土場區和施工營造區等5個分區為單元進行綜合治理。閉坑期，全區采用素土回填+復墾綠化措施。礦山水土流失防治措施總體布局見表4。

表4 礦區水土流失防治措施總體布局

3.3 水土保持工程設計

3.3.1 截水溝工程設計

（1）項目截、排水溝的防洪標準為10年一遇洪水設計。項目地的一小時平均點雨量為49.4 mm，C v=0.37，C s=3.5C v，取P=10%，查《皮爾遜III型頻率曲線的模比系數KP值表》得KP=10%=1.50以此計算本次設計采用的H10%=74 mm。

（2）洪峰流量

式中：Qs洪峰流量；k徑流系數；I降雨強度；F集水面積。

表5 匯水面積、洪水流量計算表

（3）計斷面及過水能力校核

截排水溝根據設計頻率暴雨匯流洪峰流量，按明渠均勻流公式計算過水斷面面積。

式中：Q設計流量；C謝才系數；A斷面面積；R水力半徑；i為渠底縱坡。

具體溝道規格選擇和過流能力校核見表6。

表6 各排水溝設計斷面過水能力校核情況表

經過流校核，本方案設計的各截排水溝尺寸滿足排水要求。

3.3.2 排土場設計

項目開發利于方案共設置兩座排土場，均位于采區東側，為溝道型排土場。其中1號排土場布置在采區東南側小山窩，1號排土場面積約10.97 hm2，分五級堆放，每級邊坡高度為10 m，邊坡總高度50 m，最終設計堆土高程為129.00 m，容積約227.80萬m3，渣場級別為三級，上游匯水面積為15.78 hm2；2號排土場布置在采區東側小山窩，2號排土場面積約5.76 hm2，分三級堆放，每級邊坡高度為10 m，邊坡總高度30 m，最終設計堆土高程為90 m，容積約75.62萬m3，渣場級別為四級，上游匯水面積為5.43 hm2。

（1）排土場邊坡穩定性分析

根據開發利用方案，排土場方案設計邊坡參數如下：

1）1號排土場邊坡與階段高度參數

①排土場每級邊坡高度為10 m，減輕邊坡徑流危害；②分五級；③每級邊坡坡面角小于40°；④最終平臺寬度6.0 m；⑤排土場整體邊坡角小于30°。

2）2號排土場邊坡與階段高度參數

①排土場每級邊坡高度為10 m，減輕邊坡徑流危害；②分三級；③每級邊坡坡面角小于40°；④最終平臺寬度6.0 m；⑤排土場整體邊坡角小于30°。

1號排土場邊坡坡比為1∶3，2號排土場邊坡坡比為1∶2.5。

參考相關工程經驗，回填土容重取1.8 t/m3，內摩擦角取15°，粘聚力取16 kPa；擋墻容重取2.4 t/m3，內摩擦角取45°；下臥層按風化巖考慮，容重取2.5 t/m3，內摩擦角取30°，粘聚力取28 kPa。計算采用采用圓弧法中的總應力法（簡化畢肖普法）進行穩定分析計算。

計算公式：

式中：W土條重量；Q、V為水平、垂直地震慣性力；u孔隙壓力；b土條寬度；α土條重力線與通過此土條底面重心的半徑之間的夾角；c"、φ"抗剪強度指標；MC水平地震慣性力對圓心的力矩；R圓弧半徑。

計算結果見表7、圖2。

表7 排土場邊坡整體穩定分析成果表

圖2 排土場整體穩定計算成果

3.3.3 擋土墻穩定性分析

根據開發利用方案，本項目排土場擋墻設計采用漿砌毛石墻，頂寬0.5 m，高2.0 m，擋墻頂距排土場邊坡坡腳3 m。擋墻穩定允許系數按《水土保持工程設計規范》（GB 51018-2014）中擋渣墻的安全穩定要求。排土場等級最高為3級，擋墻基礎為土質基礎，其擋墻抗滑穩定安全系數不小于1.25，抗傾覆安全系數不小于1.45。

參考相關工程經驗，擋墻穩定計算時，回填土容重取1.8 t/m3，等效內摩擦角取35°；擋墻容重取2.4 t/m3，地基土摩擦系數取0.3。計算結果見表8。

表8 擋土墻穩定性計算結果

4 結論

（1）通過工程類比確定土壤侵蝕模數，并對項目區水土流失進行預測分析，結果表明：采區、排土場是重點流失區域，生產運行期是重點水土流失時段。

（2）該項目采用分區/分時段治理，總體上采用截洪溝、沉砂池等工程措施+綠化措施+臨時措施綜合治理。

（3）通過對典型工程設計分析，采用截排水溝可滿足排水需求，排土場及擋土墻穩定性滿足相關規范要求。